INTRODUCCION

ESCUELA ACADEMICA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

Tema: PROCESO CONSTRUCTIVO DE PILOTES

Docente: Ing. David ChungA CHavez

Integrantes: -Grados Muoz Viancy

- Blas Iparraguirre Julio

- Rastha Milla Carlos

- Espinoza Salinas Brayan

Asignatura: Estructuras Especiales

Nvo Chimbote, 20 de Setiembre del 2004INTRODUCCION

La formacin profesional del Ingeniero Civil representa hoy en dia una tarea importante que se debe enfrentar debido al gran desarrollo de la ciencia y tecnologa que se ha alcanzado actualmente.

El desarrollo de un proceso constructivo de pilotes, tiene por finalidad brindar al practicante la oportunidad de experimentar in situ , la planificacin, ejecucin y control de una obra civil, aplicando para ello los conocimientos bsicos adqueridos durante su permanencia en la universidad, as como desarrollar su habilidad para la toma de decisiones y criterios que le permitan mas tarde afrontar con capacidad y competencia los problemas que se presentan durante su vida profesional.

Los pilotes son anteriores a la historia que conocemos. Hace 12000 aos los habitantes neolticos de Suiza hincaron postes de madera en los blandos fondos de lagos poco profundos para construir sus casas sobre ellos y a alturas suficiente para protegerlos de los animales que melodeaban y de los guerreros vecinos.

Estructuras similares estn actualmente en uso en las junglas del sudeste de Asia y de la Amrica del Sur. Venecia fue construidas sobre pilotes de madera en el delta pantanoso del ro Po, para proteger a los primeros italianos de los invasores del este de Europa y, al mismo tiempo, para estar cerca del mar y de sus fuentes de subsistencia.

Los descubridores espaoles dieron a Venezuela ese nombre, que significa pequea Venecia, porque los indios vivan en chozas construidas sobre pilotes en las lagunas que rodean las costas del lago Maracaibo.

En la actualidad las cimentaciones de pilotes tienen el mismo propsito: hacer posible las construcciones de casas y mantener industrias y comercios en lugares donde las condiciones del suelo no son favorables.

OBJETIVOS GENERALES

El objetivo general es alcanzar una percepcin de las actividades y labores que debe realizar el Ingeniero Civil en calidad , tanto que el estudiante observe detalladamente el desarrollo y conocimiento y sobre todo los rendimientos de la mano de obra, verificar la calidad de los materiales utilizados en el proceso constructivo de pilotes.

Aplicar y afianzar los conocimientos tericos adqueridos durante la enseanza universitaria para un buen desenvolvimiento de la obra , as como planificar y ejecutar y controlar eficientemente los aspectos tcnicos que la ejecucin de una obra civil lo permita.

Conocer las exigencias del Proceso Constructivos de los Pilotes.

El diseo deber considerarse a los pilotes como columnas sujetas a flexo compresin o flexo tensin. Lo primero que deber definirse el tipo de columna que se adoptar para el calculo. El diseo del pilote es la eleccin de la resistencia a la compresin que deber ofrecer de tal manera que nos garantice que este resistir el hincado.

Estos pilotes transmiten la carga de la estructura a travs de estratos blandos a suelos ms fuertes e incompresibles o a la roca que se encuentre debajo o distribuyen la carga a travs de los estratos blandos que no son capaces de resistir la concentracin de la carga de un cimiento poco profundo. Cuando el pilote es muy largo y la hinca difcil, el comportamiento del pilote es ms complejo, En el momento del impacto la parte superior del pilote se mueve hacia abajo; la parte inmediatamente debajo se comprime elsticamente y la punta del pilote permanece momentneamente fija.

La zona de compresin se mueve rpidamente hacia abajo y alcanza la punta del pilote una fraccin de segundo despus de producirse el impacto.

ANALISIS ESTRUCTURAL DE PILOTES

El diseo de los pilotes de concreto prefabricados esta regido por la necesidad de conseguir una resistencia adecuada contra las tensiones producidas por la elevacin y manejo de los pilotes y subsiguientemente por la inca de los mismos.

Una vez que los pilotes alcanza su posicin final, los esfuerzos provocados por la carga de la cimentacin sern probablemente mas pequeas que los producidos al manipular e hincar los pilotes.

El diseo de los pilotes que resistan los esfuerzos de la hinca ha estado influenciado por la investigacin de Glanville, Grime y Davies; de la estacin de investigacin de construccin, Acoplando a los pilotes unos registradores de tensin parar medir la magnitud y velocidad de la onda de tensin, probaron que estas tensiones excedan considerablemente a los calculados por formulas dinmica de hinca.

Se descubri que las tensiones de hincamiento dependan casi enteramente de la cada del martillo de la naturaleza del almohadillaje entre el casco y el pilote. De todas las experiencias registradas se llego a consideraciones bsicas para el diseo de pilotes.

-La cantidad de acero longitudinal debe de ser proporcional a las tensiones producidas en la elevacin y manejo del pilote las investigaciones probaron que la proporcin de acero longitudinal no tenan ningn efecto sobre las tensiones producidas por la resistencia al hincamiento).

-La cuanta de la armadura transversal, si se supone una hinca difcil no deber ser menor al 0.40% del volumen bruto del concreto.

-La proporcin de acero en los enganches en la cabeza del pilote debe ser del 1.0%.

Cabe sealar que todos los reglamentos sobre cimentacin tiene consideraciones propias para sus diseos, pero, en sntesis son casi las mismas y cumplen en una un otra reglamentacin.

Reglamento de cimentacin

-La superficie de la armadura longitudinal principal no debe ser inferior al 1.25% del rea de la seccin transversal bruta del pilote para longitudes de este de hasta 30 veces la anchura mnima; 1.5% para longitudes de 30 a 40 veces y 2% para longitudes superiores a 40 veces la anchura mnima.

-Las armaduras laterales en forma de arandelas o eslabones no deben tener un dimetro inferior a 1.47 cm. En el cuerpo del pilote, el esfuerzo lateral no debe ser inferior al 0.2% del volumen bruto, con una separacin no superior a la mitad de la anchura mnima del pilote. Para longitudes de unas 03 veces la anchura mnima en cada extremo del pilote, la cuanta de la armadura no debe ser inferior al 0.6%.

-La capa de hormign sobre toda la armadura, incluyendo el cable de conexin, no deber tener un espesor inferior a 3.75 cm.; pero si los pilotes estn expuestos al agua de mar o a otras influencias corrosivas, el espesor de dicha capa no ser inferior a 5.0 cm.

DISEO DE PILOTES

El diseo deber considerarse a los pilotes como columnas sujetas a flexo compresin o flexo tensin. Lo primero que deber definirse el tipo de columna que se adoptar para el calculo, as tenemos:

1.-Columna corta.

2.-columna larga.

Para poder definir el tipo de columna el cdigo del ACI-83; establece limites de esbeltez:

1.-Para elementos a compresin arriostrados contra desplazamientos laterales, los efectos de esbeltez puede ignorarse cuando:

Kl / r 34 12M1 / M22.-Para electos a compresin no arriostrado contra desplazamiento laterales, los efectos de esbeltez puede eliminarse cuando:

Kl / r 22

Donde:

K: factor de longitud efectiva.

l: altura libre de columna.

r: radio de giro en el sentido de la flexin r= I / A

I: momento de inercia de la columna.

A: seccin de la columna.

M1, M2: momentos en los extremos, M1< M2

Para el caso de pilotes la condicin de apoyo ser:

Se considera que la columna esta fija de rotaciones en los extremos, pero uno de ellos puede moverse lateralmente, donde se cumple:

Kl = l K = l

RESISTENCIA LTIMA A LA CARGA AXIAL

-Para columnas con espiral:

Pn = 0.85[ 0.85fc x Anc ) + ( fy x As )] Donde: = 0.75

-Para columnas con flejes ( estribadas):

Pn = 0.80 [ 0.85fc x Anc ) + ( fy x As )] Donde: = 0.70

Donde:

Anc: rea neta de concreto; Anc = Ag As

Ag : rea bruta de concreto.

As : rea de acero longitudinal.

Pn ; esta dado para un diseo de carga ultima.

De acuerdo con el ACI la resistencia de diseo estar dado por:

P(diseo) = 0.40 Pn.

CONSIDERACIONES PARA EL DISEO

Considerando el prtico anterior sometido a una carga horizontal H, y a una fuerza de compresin P. Los momentos M0 producido solo por la fuerza H el prtico se deforma como se seala con las lneas punteadas. Una vez aplicada la carga P; se producen momentos horizontales adicionales que generan deformaciones amplificadas, representadas por la curva de lneas continua. Realizando los diagramas de momentos se puede observar que los momentos mximos de M0, positivos y negativos, y los valores mximos de los momentos adicionales Mp del mismo signo, ocurre en los extremos de las la columnas. Estos son por lo tanto aditivos y producen y producen una amplificacin considerable en los momentos.

Mmax = Mo,max + Mp,max Mmax = Mo

Donde:

: factor de amplificacin de momentos.

I.-PARA COLUMNAS ESBELTAZA)AMPLIFICACION DE MOMENTOS POR ESBELTEZ

Mc = Mu

Donde:

=1 / [ 1 Pu / Pc ]

Carga critica de Euler:

Pc = 2 x E x I / (Kl)2

EI =[( Ec x Ig / 5 )+( Es x Ies )] / [1 + d ]Tambin para una forma practica:

E = [( Ec x Ig / 5 ) x I] / [1 + d]

Donde:

: factor de amplificacin de momentos contra desplazamiento lateral.

Ec: modulo de elasticidad del concreto.

Ig : momento de inercia de la seccin bruta del concreto.

Es: modulo de elasticidad del acero.

Ies: momento de inercia con respecto al eje centroidal de la seccin transversal del elemento.

d: relacin entre la carga muerta axial mayorada y la carga total axial mayorada mxima.

d= 1.4Wd / (1.4Wd + 1.7Wl + 1.3Wv)

Donde:

Wd: carga muerta.

Wl: carga viva.

Wv: carga de viento.

B)REDUCCION DE CAPACIDAD ULTIMA DE CARGA POR EFECTO DE ESBELTEZ

Al igual que la amplificacin de momento por esbeltez tambin existe una carga ltima afectada por el factor de reduccin por efecto de esbeltez.

Donde:

Pn= 0.33 x F`c x Ag + fs x As

Factor de reduccin por esbeltez ser:

R = 1.23 0.008K x l / r ; donde 0.008K x l / r 1

Entonces la capacidad de carga admisible:

P(admisible) = R x Pn

Capacidad de la carga de diseo ser:

P(diseo) = P(admisible) / F. S

F. S : factor de seguridad > 1.5 ; por lo general F. S = 2

Cabe indicar que los pilotes de concreto armado son diseados para solicitudes principalmente de carga axial. Un pilote diseado para una carga horizontal; esta a su vez preparado para resistir una fuerza horizontal entre el 3% y 5% como mximo de la carga vertical; caso contrario, si la carga horizontal excede este porcentaje de deber usar pilotes inclinados.

MOMENTO DE DISEO:

M(diseo) = F. S x Mmax ; F. S = 1.5

Por teora elstica:

As = M(diseo) / (fs x j x d)

Donde el momento de diseo estar regido por el momento resistente del concreto:

M(diseo) = (Fc x K x j X b x d2 / 2

Donde:

Fc = 0.40 f `c y fs = 0.50 fy

J = 1 K/ 3 ; n = Es / Ec

K = -np + (np)2 + 2 np K = 1 / [ 1 + fs / (n x Fc)]

Por razones de almacenaje, manipulacin excesiva e hincado principalmente se ha comprobado la necesidad de proporcionar refuerzo transversal para evitar la formacin de grietas excesivas. Para la adopcin del requerimiento de dicho refuerzo se debe tomar las siguientes consideraciones:

-El mximo esfuerzo axial en el pilote durante el hincado ocurre en la cabeza y el pie del mismo.

-En la cabeza se desarrollan grandes momentos torsionales y flectores ya que el impacto del martillo no siempre es concntrico.

-En la punta del pilote se desarrollan grandes esfuerzos de compresin cuando el pilote impacta con piedra o cuando el pilote tiene que ser hincado hasta un determinado nivel de rechazo en roca.

-En todo lo largo del pilote en situaciones de hinca difcil, se producen momentos torsionales producto del retiramiento que sufre el pilote conforme este penetra en el suelo.

RECOMENDACIONES SEGN EL REGLAMENTO:-En los extremos del pilote en longitudes de 3 dimetros el acero transversal no deber ser menor al 1 %.

-En los puntos de izaje 1% de acero transversal.

-Tanto el acero de la punta como de la cabeza deber presentar una transicin en la separacin de los estribos en la distancia de 3 dimetros.

-En el resto de la longitud del pilote el porcentaje no ser inferior al 0.40%.

-La separacin mxima entre los estribos ser menor o igual a la mitad del ancho mnimo.

Los porcentajes antes sealado son en referencia a la cuanta volumtrica.

P = V / Vg =[ (LA)] / [(bc)2 S ]

S = [ (LA)] / [(bc)2 P ]

Donde:

V: volumen de acero del estribo.

Vg: volumen de concreto para un separacin S.

S: separacin de estribos.

RESISTENCIA DEL CONCRETO A LA HINCA.

Otra de las pautas para el diseo del pilote es la eleccin de la resistencia a la compresin que deber ofrecer de tal manera que nos garantice que este resistir el hincado.

Tenemos:

Ft: fuerza de impacto.

f`c: resistencia a la compresin del concreto.

Formula simplificada de la oficina de Yards and docks de la marina U. S. A.

ft = 2.080 E0 / P , Ton / m2

E0 = Emax. Ep ; Ep= Emax. x P [ (1 + 2 ) / (Mp + P )]

Emax = Mp x H

Donde:

Mp: masa del pistn del martillo. (Ton)

H: altura de cada del pistn.

E0: energa til de impacto.

Emax: energa mxima del martillo.

Ep: energa perdida en el choque del martillo con la almohadilla.

P: peso del pilote.

: coeficiente de restitucin de Newton.

= 0.25; para fundacin de madera almohadilla de madera.

Por tanto; la condicin que debe satisfacer es:

ft f`c / 2

Tipos de cimentacin y sus procedimientos constructivos de pilotes

Cimentaciones piloteadas

Pilotes hincados, de concreto reforzado convencional

Los pilotes son elementos de concreto reforzado, tpicamente prismticos, que se prefabrican fuera del terreno con diferentes longitudes y secciones (Fig.1), para luego hincarse en l (ya sea verticales o inclinados, utilizando por lo comn tcnicas de impacto). Se utilizan principalmente para transmitir carga axial al terreno. Antiguamente se fabricaban de madera y, actualmente los pilotes de este material slo se utilizan en obras provisionales debido a su corta vida til.

Fig. 1: Secciones comunes de pilotes de concreto

cuadrada circular octogonal triangular

Es conveniente y ventajosa la utilizacin de pilotes mixtos, utilizando concreto y acero, ya que segn algunos reportes constructivos, el uso de pilotes de concreto con una punta de acero de 1 2 m de longitud y de seccin H (o de riel) ha dado resultados satisfactorios durante su hincado en terrenos duros o compactos (Fig.2), Las profundidades mximas que pueden alcanzarse con este tipo de pilotes son del orden de 60 m.

Una de las ventajas de la utilizacin de estos pilotes precolados es que pueden ser fabricados con la anticipacin requerida y con las condiciones convenientes.

Fig.2 Pilote de concreto para suelos blandos y duros

Los pilotes prefabricados de concreto reforzado o bien, los de concreto presforzado, con f c = 250 a 300 kg/cm2, con seccin mxima del orden de 60 x 60 cm, se cuelan de una sola pieza o en segmentos de acuerdo con las necesidades de longitud del pilote y del equipo de hincado que se vaya a utilizar. En caso de ser fabricados en segmentos, pueden unirse en obra mediante juntas de diversos tipos, o bien, mediante la soldadura de las placas ancladas en cada extremo de los tramos a unir (con las cuales se ha obtenido rapidez y facilidad de ejecucin), siendo comn su utilizacin para recimentaciones limitadas de espacio vertical.

El acero de refuerzo de los pilotes se calcula para resistir los esfuerzos provocados durante las operaciones de maniobra e hincado (son tpicamente mayores que los ocasionados por su funcionamiento estructural).

As, el refuerzo principal se coloca en los extremos, ya que ah se concentran los esfuerzos generados durante el hincado y en donde se recibe el impacto, por ser las zonas de contacto con el terreno que lo rompen (o fallan). Los pilotes prefabricados se hincan en el terreno verticalmente, o bien inclinados (cuando las cargas horizontales que soportarn son considerables).

En casos en que sea conveniente combinar el concreto reforzado con tubos de acero para su uso como pilotes, es comn que las secciones transversales ms comunes en estos elementos de acero sean las de tipo circular, las cuales pueden dejarse huecas o rellenarse de concreto simple o reforzado despus del hincado. As, los pilotes metlicos tienen gran facilidad de manejo y se pueden alargar o acortar segn se requiera; su desventaja es que son susceptibles a la corrosin, por lo que para su utilizacin es recomendable protegerlos apropiadamente. El uso de los pilotes metlicos suele recomendarse en suelos con boleos o con rocas alteradas.

Los mtodos que se pueden utilizar para hincar pilotes, son: por presin, por percusin o por vibracin.

El hincado a presin rara vez se utiliza para proyectos de puentes, dadas las dificultades prcticas que presenta (tardanza y disposicin de grandes presiones) y slo en algunas ocasiones se utiliza en reparaciones o recimentaciones.

El hincado por percusin (o impacto) es el ms usual en Mxico; ste se ejecuta mediante un equipo conocido como martillo de impacto, sostenido con una draga, o bien con un malacate con plumas, guindolo con una estructura que se conoce como resbaladera acoplada verticalmente a la pluma (o dndole la inclinacin necesaria) por medio de tirantes (o puntales) para asegurar el soporte apropiado del pilote, debiendo permitir libremente el movimiento del martillo de impacto.

Para hincar pilotes en lugares donde no es factible apoyar la resbaladera se usa una colgante suelta, y en cauces con tirantes de agua es necesaria la colocacin de escantillones fijos para dar al pilote la colocacin e inclinacin correcta.

Durante el proceso de hincado es necesario proteger la cabeza de los pilotes con un capuchn monoltico de acero para no daarlas; este capuchn cuenta, en su parte inferior en contacto con el pilote, con una seccin conocida como sufridera en la que se coloca un bloque amortiguador de madera, material plstico, trozos de cable de acero, etc., y sobre el mismo una placa metlica que recibe el impacto, la cual tiene que estar en un plano completamente normal al eje del pilote para evitar concentraciones de esfuerzos.

Hincado de pilotes por impacto

Hincado de pilotes desde un chaln

Hincado de pilotes desde un chaln

Escantillon utilizado para colocar pilotes en el agua

El hincado por percusin puede ejecutarse utilizando:

Martillos de cada libre (que ya slo se usan para obras provisionales) los cuales consisten en un bloque golpeador metlico sujetado por un cable de acero accionado con un malacate que lo levanta y lo deja caer libremente hasta impactar con el capuchn del pilote.

Martillos de aire comprimido, o bien de vapor (de simple o doble accin, desarrollndose con los segundos una mayor energa por golpe). Los martillos de vapor presentan muchas dificultades para su transporte y maniobras por las grandes dimensiones y peso de las calderas requeridas.

Martillos diesel de combustin interna, los cuales son de mayor eficiencia y facilidad de maniobra comparados con los anteriores.

Notas:

Para determinar el tipo, el tamao y la capacidad del martillo de impacto se deben tomar en consideracin las caractersticas de los suelos que se atravesarn, las de los equipos (tales como la energa desarrollada y la relacin entre el peso del pilote y de las partes golpeantes) en virtud de que el golpe no slo debe tener la energa necesaria para vencer la resistencia que presentan al hincado, sino contar adems con el peso suficiente para reducirla al mnimo (puesto que cuando se golpea demasiado esta energa se convierte en trabajo destructivo provocndole al pilote fisuras, agrietamientos y fracturas).

No es recomendable por ningn motivo utilizar martillos con una relacin mayor de 4 entre el peso del pilote y el de las partes golpeantes.

Los resultados ms favorables, de acuerdo con la experiencia de los cimentadores, se obtienen con un martillo cuyas partes golpeantes tengan un peso sensiblemente igual al peso del pilote.

El procedimiento de hincado por vibracin

Consiste en excitar al pilote utilizando un vibrador pesado de frecuencia controlada formado por una masa esttica con un par de contrapesos excntricos de rotacin contraria.

Su uso requiere de cuidados y precauciones especiales para no afectar estructuras contiguas (ya que puede ocasionar fenmenos de resonancia en el terreno).

Este procedimiento de hincado se utiliza en suelos granulares, pero normalmente no se usa en pilotes de concreto puesto que transmite altos esfuerzos de tensin, quedando por tanto restringida su utilizacin al hincado de pilotes de acero y tablestacas o para extraccin de pilotes antiguos o desviados.

Antes del inicio del hincado es preciso colocar el pilote en la posicin correcta, alinearlo con las guas y el martillo, colocarle el capuchn protector y marcarlo a cada metro para facilitar el control del nmero de golpes en relacin con la penetracin obtenida durante el proceso, y registrar cualquier comportamiento irregular que se presente.

Existen adems las tcnicas auxiliares de perforacin previa y chifloneo desarrolladas para facilitar los hincados.

La perforacin previa

Se utiliza para disminuir el volumen de suelo movilizado por el hincado del pilote, aumentando as la eficiencia de la hinca. En pilotes de concreto se recomienda en la mayora de los casos que la perforacin previa se haga con una dimensin transversal ligeramente menor que la del pilote, sobre todo si se espera un trabajo importante de la friccin lateral. Tambin se recomienda, cuando el nmero de pilotes es grande, y por lo tanto pueden provocar desplazamiento del suelo con levantamiento del terreno superficial y el consecuente arrastre de los ya hincados.

Es necesario suspenderla a 2 3 m arriba del nivel de desplante de los pilotes para evitar alteraciones importantes en las propiedades del material profundo. Muchas veces la perforacin previa resulta difcil porque la naturaleza de los estratos del subsuelo no permite hacerlas, como los pilotes que se pretende instalar en suelos granulares con poca o nula cohesin y localizados por abajo del nivel fretico.

El chifloneo

Consiste en inyeccin de agua a presin en la punta del pilote, que erosiona el material y transporta una parte del mismo a la superficie, a la vez que lubrica las caras laterales de los pilotes reduciendo la friccin. Antes de iniciarlo, se requiere un hincado mnimo previo, del orden de un tercio de la longitud total y es preciso suspenderlo de 1 a 2 m arriba del nivel de desplante de proyecto para evitar daar sensiblemente al material de apoyo.

La tubera puede dejarse ahogada en el cuerpo o por fuera del pilote (adosada a las caras), y no conviene una sola salida en el centro, para evitar desplomes. Se aplica generalmente en arenas y materiales granulares friccionantes para disminuir el volumen de suelo desplazado durante el hincado, pero no es aconsejable en arcillas blandas ya que se cierran en torno al pilote y no permiten la salida del agua.

Con pilotes de concreto se han alcanzado profundidades del orden de 50 m y con tubos de acero se ha llegado hasta 70 m, trabajndose ininterrumpidamente para impedir que el material circundante se recupere y evite su penetracin por friccin.

Independientemente del mtodo utilizado, es de suma importancia que se elabore un registro de hincado para cada pilote, en el cual se describan las caractersticas geomtricas del elemento, los materiales utilizados en su fabricacin, as como el equipo de hincado y los detalles del procedimiento de instalacin (incluyendo, por ejemplo, el desplazamiento obtenido por cada cierto nmero de golpes, los problemas observados, el ngulo de inclinacin respecto a la vertical que se haya especificado para el elemento, entre otros).

Este registro de hincado tiene propsitos de comprobar hasta qu punto se cumplieron las especificaciones de hincado indicadas en el diseo, as como constituir informacin tcnica que sea de utilidad en la revisin de su desempeo mecnico real (quiz con propsitos adicionales de retroalimentacin de los mtodos de diseo y de construccin, as como con fines de antecedente y referencia ante una eventual recimentacin de la obra implicada).

cimentaciones profundas de pilotajes

Las cimentaciones profundas son aquellas que, como su nombre lo indica, presentan una profundidad de cimentacin elevada (varias decenas de metros). Dentro de esta clase de cimentaciones se encuentran dos grandes grupos:

a)Pilas y caissons

b)Pilotes

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Pila tpica de un puente Pilotes prefabricados

Caisson de aproximacin

A) PILAS Y CAISSONS

Las pilas y caissons son elementos estructurales que presentan una seccin transversal considerable (comparada con los pilotes) y que se encargan de transmitir la carga de una sola columna a un estrato que sea capaz de soportarla. La relacin entre la profundidad de la cimentacin y el ancho de la pila es generalmente mayor que cuatro.

PROCESO CONSTRUCTIVO

Para la construccin de pilas se presentan tres procesos constructivos.

El primero consiste en excavar hasta el nivel de cimentacin y luego construir una pila dentro de dicha excavacin. Cuando la excavacin se realiza bajo el agua, el forro de la excavacin se denomina atagua. Los pasos a seguir son los siguientes:

a) Hincado de tablestacas

b) Apuntalamiento interior de las caras que se encuentran en seco

c)Descenso del nivel de agua y apuntalamiento de la zona

e) figurada del hierro y vaciado del concreto

El segundo mtodo consiste en hincar cajones, cajas o cilindros hasta la profundidad deseada y luego el material interior es extrado por excavacin o dragado. El procedimiento es el siguiente:

a)Construccin del cajn

b) El hincamiento se lleva a cabo sacando material del interior de ellos, lo que produce que el cajn comience a penetrar en el suelo gracias a su propio peso.

c) Una vez alcanzada la profundidad final, se introduce el refuerzo y el fondo de la excavacin se llena con concreto por medio de un tubo trompa de elefante.

El ltimo mtodo consiste en excavar las pilas con mquinas perforadoras provistas con barrenos. Estas excavan hasta lugares donde el suelo lo permita sin derrumbarse. Una vez se llega a suelos de esta clase se utilizan lodos bentonticos para llenar la excavacin y permitir continuar con la misma. Cuando se alcanza la profundidad necesaria o se llega a un estrato cohesivo, se detiene la excavacin y se inserta un tubo llamado camisa (o ademe). Este tubo permite seguir excavando y evitar que el suelo se derrumbe dentro de la excavacin. Por ltimo se introduce el refuerzo y se funde el concreto recordando retirar la camisa.

B) PILOTES

Los pilotes son elementos estructurales ms esbeltos que las pilas, los cuales pueden alcanzar grandes profundidades.

Son construidos de diferentes formas, tamaos y materiales (madera, concreto y acero).

Se clasifican dependiendo de su forma de trabajo en:

a) Pilotes de Punta

b) Pilotes de Friccin

Los pilotes de punta

Son aquellos que obtienen la capacidad de carga del estrato que se encuentra en la punta del mismo. Es decir transmiten la carga directamente al estrato donde se apoyan.

Los pilotes que trabajan por friccin

Obtienen la capacidad de carga del material que rodea toda su superficie. Es decir, debido a la resistencia al corte entre el suelo y el pilote propiamente dicho.

Cabezal de un pilote fundido in situ Pilotes prefabricados

Pilotes prefabricados colocados

Las cimentaciones profundas se emplean cuando los estratos de suelo o de roca situados inmediatamente debajo de la estructura no son capaces de soportar la carga, con la adecuada seguridad o con un asentamiento tolerable. El hecho de llevar la cimentacin hasta el primer estrato resistente que se encuentre no es suficiente, aunque esta sea la decisin que a menudo se toma, la cimentacin profunda debe analizarse de la misma manera que la que es poco profunda. Como la cimentacin superficial, tambin la cimentacin profunda, incluyendo los estratos de suelo o roca situados debajo, deben ofrecer seguridad y no asentarse excesivamente por efecto de las cargas de la estructura que soportan.

Hay dos formas de cimentaciones profundas generalmente aceptadas: pilotes y pilares. Los pilotes son fustes relativamente largos y esbeltos que se introducen en el terreno. Aunque algunas veces se hinca en el terreno pilotes hasta de 1.50m de dimetro, por lo general sus dimetros son inferiores a 60 cms. Los pilares son de mayor dimetro y se construyen excavando y, por lo general, permiten una inspeccin ocular del suelo o roca donde se apoyaran. Los pilares son en realidad cimentaciones por superficie o sobre placa a gran profundidad. No se puede hacer una distincin precisa entre pilotes y pilares, porque hay cimentaciones que combinan las caractersticas de ambas.

I.-Uso de los pilotes

Los pilotes se usan de muchas maneras. Los pilotes de carga que soportan las cimentaciones son los ms comunes.

Estos pilotes transmiten la carga de la estructura a travs de estratos blandos a suelos ms fuertes e incompresibles o a la roca que se encuentre debajo o distribuyen la carga a travs de los estratos blandos que no son capaces de resistir la concentracin de la carga de un cimiento poco profundo.

Los pilotes de carga se usan cuando hay peligro de que los estratos superiores del suelo puedan ser socavados por la accin de las corrientes o las olas o en los muelles y puentes que se construyen en el agua.

Los pilotes de traccin se usan para resistir fuerzas hacia arriba, como en las estructuras sometidas a subpresion, tales son los edificios cuyos basamentos estn situados por debajo del nivel fretico, las obras de proteccin de presas o los tanques sorterrados.

Tambin se emplean para resistir el vuelco en muros y presas y como anclaje de los cables que sirven de contravientos en las torres o retenidas en los muros anclados y en las torres.

Los pilotes cargados lateralmente soportan las cargas aplicadas perpendicularmente al eje del pilote y se usan en cimentaciones sometidas a fuerzas horizontales, como son los muros de sostenimiento de tierras, los puentes, las presas y los muelles y como defensas y duques de alba en las obras de los puertos.

Si las cargas laterales son grandes, los pilotes inclinados pueden resistirlas mas eficazmente. Estos son pilotes que se hincan con un cierto ngulo.

Frecuentemente se usa una combinacin de pilotes verticales e inclinados, como en la figura.

Los pilotes se usan algunas veces para compactar el suelo o como drenes verticales en estratos de baja permeabilidad.

Los pilotes colocados muy prximos unos de otros y las tablescas anchas y delgadas unidas entre si, se usan como muros de sostenimiento de tierras, presas.

II.-HINCA DE PILOTES

La operacin de introducir el pilote en el terreno se llama hinca del pilote. Como muchas otras operaciones que se realizan en las construcciones, la hinca de pilotes es un arte, cuyo xito depende de la habilidad e ingeniosidad de los que la realizan; sin embargo, tambin como en muchos otros trabajos de construccin se depende cada vez mas de la ciencia de la ingeniera para hacerlos ms eficaces.

Aun ms importante que el arte y la ingeniera mecnica envueltos en la construccin, resultan otros factores que aseguran el buen funcionamiento de la cimentacin de pilotaje una vez terminada.

Por lo tanto, el ingeniero que proyecta la cimentacin debe finalmente intervenir en la construccin y el ingeniero constructor en el proyecto. El mtodo ms antiguo y uno de los mas ampliamente usados actualmente es por medio de una maza.

Los constructores orientales usaron durante centurias un bloque de piedra como maza; un grupo de obreros dispuestos en forma de estrella alrededor de la cabeza del pilote levantaban la piedra por medio de cuerdas que mantenan tirantes; por un movimiento rtmico de estirar y aflojar las cuerdas levantaban la piedra en el aire y guiaban el golpe hacia abajo, sobre la cabeza del pilote.

Los romanos usaban un bloque de piedra que elevaban por medio de una cabria en forma de A, utilizando la energa de esclavos o caballos y guiaban su cada por medio de postes verticales.

2.1.-Equipos para la hinca de pilotes o martinetes.

Aunque la simple armadura en forma de A que empleaban los romanos para la hinca de pilotes todava se usa actualmente (con energa mecnica), la maquina mas comnmente usada es esencialmente, una gra montada sobre esteras. Unidas a la pluma de la gra estn las guas: dos canales de acero unidas entre si por medio de separadores en U y arriostradas por diagonales.

Estas canales sirven de gua al martillo o maza que tienen unas aletas que le permiten resbalar entre las canales de la gua. Las guas estn aseguradas a la gra por un tirante que generalmente es ajustable, lo cual permite la inca de pilotes inclinados.

Para los martillos de vapor se necesita una caldera de vapor o un compresor de aire. El pilote se coloca entre las guas y debajo del martillo. A veces se coloca ente las guas, preferiblemente, piezas que pueden deslizarse y sirven para soportar lateralmente el pilote a la mitad o a las cuartas partes de su longitud.

Algunos equipos grandes se montan en una base de vigas I que se apoyan en una armazn de acero y emparrillado de madera. Estos equipos s translada hacindolos resbalar sobre vigas o rodillos.

Para trabajos de carreteras se usan equipos de gras instaladas en vehculos con llantas de goma y para trabajos dentro de los edificios se han usado hasta martillos montados en camiones con horquilla para elevar pesas. Algunas veces estos equipos o martinetes se montan en barcazas para trabajos marinos o en carros de ferrocarril para trabajos en la vas. Cuando no hay espacio suficiente para una gua suelen usarse guas oscilantes que cuelgan de cables.

La caracterstica ms importante de un equipo para la hinca de pilotes, desde el punto de vista del ingeniero, es su capacidad para guiar el pilote exactamente. Debe ser lo suficientemente fuerte y rgido para mantener el pilote y el martillo en su posicin y con la inclinacin fijada, a pesar del viento, las obstrucciones bajo el terreno y el movimiento del martillo.

Figura: Martinete hidrulico

2.2.-Martillos o mazas para la inca de pilotes.

El martillo mas simple es la maza:

Que consiste en un bloque de acero fundido que pesa de 250 a 1,000 kilogramos. Se eleva por medio de un torno de 1.50 a 3.00 m sobre la cabeza del pilote y luego se deja caer. La hinca de pilotes con maza es simple, pero muy lenta y se usa solamente en pequeos trabajos en los que el constructor tiene que improvisar su equipo o cuando no esta justificado el costo del traslado de equipos pesados.

El martillo de vapor de simple efecto:

Se compone de un pesado bloque de acero fundido, que es la maza, un pistn y un cilindro. Se introduce vapor o aire comprimido en el cilindro para levantar la maza 60 a 90 cm, y luego se le da salida al vapor para que la maza caiga sobre la cabeza del pilote. Estos martillos son simples y fuertes y golpean a baja velocidad, con energa relativamente constante a pesar del desgaste, los ajustes y las pequeas variaciones en la presin del vapor. Sus caractersticas se dan en la tabla 1.

En los martillos de doble efecto o diferenciales:

Se emplean el vapor o el aire comprimido para levantar la maza y para acelerar la cada. Los golpes son ms rpidos, de 95 a 240 por minuto, con lo cual se reduce el tiempo necesario para la hinca del pilote hasta se hace esta ms fcil en arena suelta.

El martillo puede perder parte de su eficiencia con el desgaste o el ajuste deficiente de la vlvula. La energa que se desarrolla en cada golpe varia grandemente con la presin del vapor o del aire y se necesita una inspeccin cuidadosa para estar seguros de que dicha presin es la especificada y constante. Si l numero de golpes por minuto es aproximadamente el especificado, como se da en la tabla 1, la presin del vapor es probablemente correcta.

Los martillos de vapor:

Pueden operar con vapor o con aire comprimido; la operacin con vapor es ms eficiente, especialmente si se emplean generadores de vapor circulante. Si el martillo va a operar bajo el agua, lo cual se puede hacer con el de doble efecto de tipo cerrado, se necesita suministrar aire.

Los martillos Diesel para la hinca de pilotes:

Se encuentran en el mercado en tamaos cada vez mayores. El martillo Diesel se compone de un cilindro de fondo macizo y una maza pistn encerrada en el mismo. Al comenzar la hinca la maza se levanta mecnicamente y luego se deja caer.

El combustible:

Se inyecta dentro del cilindro cuando cae la maza, producindose la ignicin por el calor del aire comprimido por la maza. El impacto y la explosin fuerzan al cilindro hacia abajo contra el pilote y a la maza hacia arriba, para repetir el ciclo automticamente.

Las mayores ventajas del martillo Diesel son:

Que lleva consigo la fuente de energa, es econmico y se opera fcilmente. La energa por golpe es alta en relacin con el peso del martillo, pero esta se desarrolla por la alta velocidad de los golpes de una maza de peso mediano.

La mayor desventaja estriba:

En algunos tipos de martillo Diesel la distancia del recorrido de la masa puede observar visualmente y calcular la energa, aproximadamente, por el producto del recorrido y el peso de la maza.

En otros martillos se puede estimar la energa por la presin del aire generada en una cmara de rechazo situada sobre el martillo. Debido a que la energa es variable, el martillo Diesel es el que mejor se adapta a los casos en que el control de la energa no es critico, o donde este pueda se vigilado de cerca en los momentos crticos.

Un martillo de doble efecto movido por presin hidrulica es algo ms rpido y ligero que el equivalente de vapor, porque la presin con que funciona es mucho mayor. El sistema compacto de la bomba hidrulica es ms fcil de trasladar que el voluminoso compresor de aire o la caldera de vapor; sin embargo, las altas presiones llevan aparejados problemas mecnicos ms difciles.

El martillo ligero de doble efecto, producir la misma energa en kilogrametros en el instante en que la maza hace contacto con la cabeza del pilote, que un martillo pesado de vapor simple efecto cayendo de 0.75 a 0.90 m de altura. Sin embargo, los efectos de los dos golpes son diferentes, debido a la gran diferencia de velocidades que tienen las mazas en el instante del golpe.

Considrese la hinca de un clavo de va usando primero un martillo para tachuelas dejndola caer de pocos centmetros de altura, de manera que se produzca la misma cantidad de energa que en el caso anterior. Los golpes lentos y pesados hincan el clavo, mientras que el martillo para tachuelas rebotara. La misma diferencia de efectos se puede observar en la hinca de pilotes.

En la mayora de los martillos par hinca de pilotes es necesario usar sombreretes. Protectores para distribuir la fuerza del golpe del martillo en la cabeza del pilote. El sombrerete se hace de acero fundido y contiene en su interior un bloque renovable de madera, fibra o un metal laminado y goma o un cojn plstico y contra l golpea el martillo.

Figura: Hincado de Pilotes usando martillo

2.3.-Comportamiento Del Pilote Durante La Hinca

La hinca de pilotes es una operacin fascinante que siempre atrae multitud de espectadores. Las nubes de vapor y el continuo martillar les hace detenerse, pero en general, no advierten lo que requiere mas atencin del ingeniero: el comportamiento del pilote durante la hinca.

En suelos muy blandos los primeros golpes del martillo pueden hincar el pilote varios metros; de hecho el pilote puede introducirse en el terreno bajo el peso del martillo solamente; sin embargo en los suelos duros cada golpe del martillo esta acompaado por una deformacin del pilote y la consiguiente perdida de energa.

Si se sostiene un pedazo de tiza contra el pilote y se mueve uniformemente en direccin horizontal a medida que se hinca el pilote, se quedara trazado en el pilote un grfico que representa el movimiento vertical del pilote con respecto al tiempo.

El golpe del martillo produce inicialmente un movimiento del pilote hacia abajo, pero este es seguido por un rebote que representa la compresin elstica temporal del pilote y del suelo que lo circunda.

El movimiento neto del pilote en el suelo por el efecto de un golpe del martillo. La penetracin promedio para varios golpes se puede hallar de la resistencia a la hinca, que es l numero de golpes necesario para hincar el pilote una distancia determinada, generalmente 2.5, 15 o 30 cm.

Cuando el pilote es muy largo y la hinca difcil, el comportamiento del pilote es ms complejo, En el momento del impacto la parte superior del pilote se mueve hacia abajo; la parte inmediatamente debajo se comprime elsticamente y la punta del pilote permanece momentneamente fija. La zona de compresin se mueve rpidamente hacia abajo y alcanza la punta del pilote una fraccin de segundo despus de producirse el impacto.

Como resultado de esta onda de compresin, la totalidad del pilote no se mueve hacia abajo en un instante, sino que lo hace en segmentos ms cortos.

2.4.-Otros Mtodos De Hinca De Pilotes

En los suelos no cohesivos se puede usar el chifln de agua para hincar hasta su posicin final pilotes cortos con cargas ligeras y para ayudar la hinca de pilotes largos con cargas pesadas.

El chorro se produce inyectando agua con una presin de 10 a 20 Kg. por cm2 por un tubo de 3.8 a 5.0 cm de dimetro, que tiene una boquilla de mitad del mismo. El chorro de agua se puede usar para abrir un hueco en la arena antes de proceder a la hinca o se puede fijar el tubo o un par de tubos, a los lados del pilote (o dejarlo embebido en el pilote de concreto) de manera que la accin del chorro de agua y la hinca sean simultaneas.

Como el chorro de agua afloja el suelo, corrientemente se interrumpe antes que el pilote alcance su posicin final y los ltimos decmetros de la penetracin se hacen con el martillo solamente. Si se usa demasiada agua el chorro puede aflojar los pilotes que se hayan hincado previamente.

El chifln de agua beneficia grandemente la hinca en arena compacta, pero su ayuda es pequea en arcillas.

Cuando el pilote deba atravesar capas superiores de arcillas compacta o roca blanda para alcanzar el estrato de substanciacin, se puede ahorrar tiempo y dinero haciendo una perforacin previa.

Si el suelo es seco esta perforacin se hace con una barrera y se deja caer el pilote dentro del agujero abierto. Si el suelo se mantiene continuamente firme, se puede fabricar un pilote de concreto en el agujero para formar un pilote de colado in situ (que se estudiara posteriormente).

Si el suelo contiene vetas blandas, se puede hacer el agujero con una barrera rotatoria y se mantiene abierto rellenndolo con una pasta blanda de suelo y agua. El pilote se hinca a trabes de esa pasta hasta el estrato firme situado debajo.

El punzonado es la hinca en el suelo de un pesado perfil de acero laminado, para horadar las obstrucciones o romper las vetas duras que puedan daar y hasta impedir la penetracin de pilotes pequeos. El perfil de acero que se haya empleado como punzn se sacara antes de hincar el pilote.

Se emplean los gatos para hincar pilotes cuando no se permiten las vibraciones del martillado o cuando no hay espacio suficiente para usar martillos. Se usan principalmente en obras de recalce de cimentaciones, donde el pilote, en pequeas secciones, se hinca por medio de gatos, usando el peso de la propia estructura como reaccin.

Los vibradores son efectivos, segn se ha comprobado en la hinca de pilotes de suelos limosos y arenosos.

Los vibradores consisten en un par de pesos que giran en direccin contraria, orientados de manera que produzcan movimientos hacia arriba y hacia abajo. Se han usado vibradores con velocidades de 735 a 2500 revoluciones por minuto y que pesan de 12000 a 14000 kg. respectivamente.

Un vibrador de 12000 Kg. movido por un motor elctrico de 200 caballos de vapor desarrolla una fuerza dinmica de cerca de 159100 kg. Un pequeo vibrador de 100 caballos de vapor proyectado para la hinca y extraccin de tablescas pesa 5000 kg. y desarrolla una potencia de 7466 kgm por minuto, a una velocidad de 700 a 1000 revoluciones por minuto.

Se han empleado vibradores gigantes en pares sincronizados para hincar pilotes de 1.20 m de dimetro y hasta cajones ms grandes

El vibrador sonico genera la vibracin en resonancia con el pilote; de esta manera el impulso de la vibracin esta en fase con la onda de compresin elstica que viaja hacia abajo en el pilote y la energa para vencer el rozamiento y la resistencia en la punta se usa mas eficientemente.

Una maquina de hinca de combustin interna produce la frecuencia variable que se necesita para armonizar con la frecuencia natural del pilote como columna elstica.

La velocidad de hinca es asombrosa en muchos casos y el ruido y las molestias de las sacudidas son menores que en la hinca con martillos de percusin.

III.-CAPACIDAD RESISTENTE DEL PILOTE

La capacidad de una cimentacin de pilotaje para soportar cargas sin falla o asentamiento excesivo, depende de varios factores:

-La losa sobre los pilotes.

-El fuste del pilote.

-La transmisin de la carga que soporta el pilote al suelo.

-El suelo y los estratos subyacentes de roca que finalmente soportan la carga.

3.1.-l calculo y proyecto de la losa sobre los pilotes

Es esencialmente un problema estructural que se encuentra en los libros de textos para proyectos de hormign armado; es raramente un problema critico o una causa de dificultades.

En el anlisis y proyecto del fuste del pilote intervienen tanto el suelo como el pilote. Corrientemente la capacidad del fuste del pilote obedece a necesidades constructivas y es mucho mayor que la necesaria para la carga mxima; pero puede ser critica en el caso de pilotes esbeltos con cargas pesadas o cuando se encuentran dificultades en la construccin.

La transferencia de la carga del pilote al suelo es lo que se llama capacidad de carga del pilote y es frecuentemente causa de dificultades en las cimentaciones de pilotaje. La capacidad de los estratos inferiores para soportar la carga depende del efecto combinado de todos los pilotes actuando conjuntamente.

Aunque la capacidad de los estratos inferiores rara vez recibe atencin, es frecuentemente fuente de dificultades en las cimentaciones de pilotaje.

3.2.-Fuste Del PiloteEl fuste del pilote es una columna estructura que esta fija en la punta y generalmente empotrada en la cabeza. La estabilidad elstica del pilote y su resistencia al pandeo ha sido investigada tericamente y por ensayos de carga.

El pandeo de un pilote depende de su alineamiento, longitud, momento de inercia y modulo de elasticidad y de la resistencia elstica del suelo que lo circunda. Tanto la teora como la practica demuestran que el soporte lateral del suelo es tan efectivo, que nicamente en pilotes extremadamente esbeltos hincados en arcillas muy blandas o en pilotes que se extiendan fuera del suelo, en el aire o en el agua, pueden producirse pandeo. Por lo tanto, los pilotes en arena o en arcilla blanda se proyecta, corrientemente, como si estuvieran arriostrados o fueran columnas cortas.

Esto se ha comprobado por ensayos de carga en pilotes de 30 m de longitud en arcilla blanda en un lugar del Medio Oeste. Los pilotes de acero de seccin H fallaron por arriba de la superficie del terreno cuando se alcanzo l limite elstico del acero y los de concreto por rotura por aplastamiento, cuando se alcanzo la resistencia a compresin del hormign.

Lo ms importante a considerar como limitacin de la capacidad del fuste de un pilote es la construccin defectuosa, especialmente la de las uniones de dos secciones del pilote; esto puede conducir a desviaciones de la parte inferior del pilote ya que se produzca un ngulo de la alineacin del mismo y a una reduccin de la seccin transversal del pilote y una perdida de resistencias como columna corta.

3.3.-Efectos Del Pilote En El Suelo

La forma de distribucin del esfuerzo, el asentamiento y capacidad mxima de una cimentacin por pilotaje, depende del efecto del pilote en el suelo. El pilote, representado por un cilindro de longitud L y dimetro D, es una discontinuidad en la masa de suelo, que reemplaza el suelo, segn sea instalado por excavacin, como un pilar, o por hinca.

La excavacin altera el suelo cambiando la forma de distribucin del esfuerzo; el suelo puede ser comprimido hacia adentro, desorganizndose la estructura de las arcillas y reducindose la compacidad de las arenas. Al forzar un pilote dentro del agujero o al colocar concreto fresco, puede que se fuerce parcialmente el suelo hacia afuera, originndose mas alteracin.

La hinca del pilote origina aun mayor alteracin. La punta del pilote acta como un pequeo cimiento con un cono de suelo que se forma debajo de ella que perfora hacia abajo forzando al suelo hacia los lados en sucesivas fallas de capacidad de carga. Alrededor del pilote se forma una zona de alteracin o suelo reamasado que tiene un ancho de D a 2D.

Si la hinca va acompaada por el chorro de agua o la perforacin de un pequeo agujero, la zona de alteracin es menor. Dent de la zona de alteracin se reduce la resistencia de cohesin de las arcillas saturadas y de los suelos cementados.

En la mayora de los suelos no cohesivos se aumenta la compacidad y el ngulo de friccin interna, sin embargo, en un suelo muy compacto pudiera haber una reduccin en la compacidad en la zona inmediata al pilote, debido al esfuerzo cortante y a una ligera reduccin local del ngulo de friccin interna.

El desplazamiento producido por la hinca de los pilotes tiene dos efectos. Primero, se produce un levantamiento del terreno en los suelos de arcilla saturada y en los no cohesivos compactos. El levantamiento del terreno algunas veces empuja lateralmente 30 o 60 cms los pilotes hincados previamente o levanta la superficie del terreno una cantidad equivalente al volumen de suelo desplazado. Segundo, se establece una fuerte presin lateral en el suelo. Los limitados datos disponibles indican que la presin lateral total, en arcilla saturada, puede ser tanto como dos veces la presin vertical total de la sobrecarga de tierra y en las arenas la presin lateral efectiva puede ser desde la mitad a cuatro veces el esfuerzo vertical efectivo.

En las arcillas saturadas hay indicaciones indirectas de presiones aun mayores, como son el colapso de ataguas y el aplastamiento de pilotes de tubo abierto de paredes delgadas o de camisas de acero y el empuje que reciben las estructuras situadas cerca de los pilotes que se estn hincando.

El aplastamiento de un pilote tubular, ocurri en un grupo de 36 pilotes espaciados a 0.9 m, hincados en arcilla, en una construccin, rompi los cimientos por superficie y levanto 7.5 cm, un muro de un edificio contiguo.

En las arcillas saturadas el aumento de presin es, en su mayor parte, esfuerzo neutro, que con el tiempo se disipa en el suelo circundante, lo que hace que la presin lateral caiga hacia su valor original, algo menor que la presin de la sobrecarga de tierra. La reduccin del esfuerzo neutro en la arcilla esta acompaada por una recuperacin de la resistencia, que en algunos casos excede finalmente la resistencia original del suelo no alterado.

La hinca de pilotes con martillo produce choque y vibracin que se transmite, a travs del terreno, a las estructura contiguas. Esto puede molestar a los ocupantes y cuando es muy intenso causa danos fsicos. Si el suelo es arena muy suelta, fina y saturada, las vibraciones pueden causar una licuefaccin temporal de la misma, con la correspondiente perdida de capacidad de carga, producindose graves danos; aunque esto raramente ocurre. Es mas comn que la superficie del terreno, a pesar del desplazamiento producido por los pilotes.

El hundimiento se puede extender tanto como hasta 30 m de la estructura, segn la longitud de los pilotes y la intensidad de la hinca. Esto causa asentamientos y danos en los edificios cercanos.

3.4.-Transferencia De La Carga Del Pilote

El pilote transfiere la carga al suelo de dos maneras. Primero, por la punta, en compresin, que se llama resistencia por la punta, y segundo, por esfuerzo cortante a lo largo de su superficie lateral, llamado comnmente friccin lateral (aunque una verdadera friccin no se desarrolla en todos los casos). Los pilotes hincados a travs de estratos dbiles hasta que su punta descanse en un estrato duro, transfieren la mayor parte de su carga por la punta y algunas veces se les llama pilotes resistentes por la punta.

En suelos homogneos los pilotes transfieren la mayor parte de su carga por friccin lateral y se les llama pilotes de friccin o pilotes flotantes; sin embargo, la mayora de los pilotes desarrollan ambas resistencias.

3.5.-Campo De Esfuerzos Alrededor Del Pilote.

La zona de esfuerzo inicial alrededor de un pilote que se coloque perforando el suelo o por medio de chifln de agua, esta probablemente muy cerca del estado de reposo; lo cual depende de la reduccin del esfuerzo que acompae a la compresin del suelo hacia el agujero y del aumento del mismo producido por el desplazamiento del suelo al colocarse el pilote.

Al cargarse al pilote el campo de esfuerzos cambia, porque la carga del pilote se transfiere al suelo.

El anlisis de los esfuerzos producidos por una carga vertical que se ha introducido por debajo de la superficie de un slido elstico, istopo y semifinito, fue desarrollado por Mindlin. Es anlogo el anlisis de Boussinesq para cargas en la superficie.

El incremento de esfuerzo vertical, , producido por una carga Q a la profundidad L, que es la longitud del pilote, esta dado por la expresin:

= Q Ip (1)

L2

Ip = f(z/L; x/L). (2)

Por arriba de la punta del pilote, dentro de una zona cilndrica cuyo radio es alrededor de la mitad de la longitud del pilote, la resistencia por la punta produce un incremento de esfuerzo negativo, o una reduccin del esfuerzo vertical en la masa.

Los esfuerzos radiales (en direccin lateral) son anlogamente influidos por el esfuerzo vertical transferido al suelo por el pilote. Por arriba del punto de carga el esfuerzo radial se reduce y por debajo se aumenta.

El efecto combinado de la resistencia por la punta y la friccin lateral en la zona de esfuerzo, depende de sus magnitudes relativas como tambin de la distribucin lateral a lo largo del pilote.

Del limitado numero de observaciones que se han hecho de pilotes en materiales homogneos se deduce que, para longitudes de pilotes que excedan de 20 dimetros, la resistencia por la punta esta entre un cuarto y un tercio de la total; para pilotes mas cortos la parte de la resistencia total que toma la punta aumenta en proporcin a la relacin D/L.

Si el suelo o la roca en la punta del pilote es ms rgido que a lo largo del fuste, la resistencia por la punta ser mayor.

A medida que la carga se acerca a la de falla la proporcin de la carga que se transfiere a la punta depende de la resistencia mxima o limite a fuerza cortante del suelo en la punta, comparada con la resistencia limite a esfuerzo cortante en friccin lateral.

3.6.-Esfuerzos En La Zona Adyacente Al Pilote

El esfuerzo vertical en la zona inmediatamente adyacente a un pilote con perforacin previa y descargado es rz.

A medida que se aumenta la carga en el pilote, hay una reduccin en el esfuerzo vertical inmediatamente adyacente en la parte inferior del pilote debido a que la carga es transferida a la punta. Aunque esto puede ser parcialmente compensado por el aumento en el esfuerzo vertical causado por la transferencia de carga por friccin lateral en la parte superior, el efecto neto en pilotes largos y esbeltos ser una reduccin de esfuerzo.

Adems, el hundimiento de la masa del suelo alrededor del pilote produce una reduccin del esfuerzo vertical similar al que se produce en una zanja que se ha rellenado. Como resultado de esto, el esfuerzo vertical adyacente a un pilote cargado es menor que rz, por debajo de una profundidad critica Zc. Por debajo de la profundidad Zc el esfuerzo vertical inmediatamente adyacente a un pilote por perforacin o hincado con chorro de agua, depende de la carga del pilote. En la falla, los ensayos indican que es aproximadamente a rZc; con cargas mas pequeas es algo mas alto.

En pilotes hincados (los cuales ya hay sufrido "fallas" sucesivas durante la hinca) la presin lateral por debajo de Zc esta aparentemente muy cerca de rz, cualquiera que sea la carga.

Los ensayos a gran escala en los suelos hechos por Vesic en el Instituto Tecnolgico de Georgia y por Kerisel en Francia, indican que la profundidad critica Zc es funcin de la compacidad relativa. Para Dr < 30%, Zc = 10D para Dr > 70%, Zc es aproximadamente proporcional a la compacidad relativa.

La presin lateral del suelo contra la superficie del pilote se puede expresar por la ecuacin:

(2) El coeficiente de la expresin de la tierra, Ks, depende del desplazamiento del pilote y de la compacidad o compresibilidad del suelo.

Para los pilotes colocados con chifln de agua o con perforacin previa el valor de Ks aumenta con la carga; el valor mximo se produce en la falla.

Anlisis Esttico De La Capacidad De Carga De Un Pilote

La mxima capacidad de carga de un pilote o pilar es la suma de la resistencia por la punta y por la friccin lateral en el instante de la carga mxima:

QO = QBB + QSF (3)

Los valores mximos de QEBC y QSFC se pueden analizar separadamente. ambos estn basados en el estado de los esfuerzos alrededor del pilote (o de cualquier cimentacin profunda) y en la forma de distribucin del esfuerzo cortante que se desarrolla al fallar.

En el pilote resistente por la punta, esta se asemeja a una cimentacin por superficie enterrada profundamente.

Cuando se carga el pilote se forma un cono de suelo no alterado que se adhiere a la punta. Como la punta va penetrando mas profundamente conforme aumenta la carga, el cono fuerza el suelo hacia los lados cortando la masa a lo largo de una superficie curva.

Si el suelo es blando, compresible o tiene un modulo de elasticidad bajo, la masa situada mas all de la zona de esfuerzo cortante se comprime o deforma, permitiendo que el cono penetre mas.

Esta es una forma de esfuerzo cortante local similar al descrito para las cimentaciones poco profundas. Si el suelo o la roca son muy rgidos, la zona de esfuerzo cortante se extiende hasta que el desplazamiento total permita al cono perforar el suelo hacia abajo. Se han propuesto varias formas para la zona de esfuerzo cortante para evaluar la resistencia por la punta. Igual que los resultados de los anlisis de las cimentaciones poco profundas, estos se pueden expresar en la forma general siguiente:

qo = Br Nr + cNc + q'Nq (3)

2

Para los pilotes en que B es pequeo, frecuentemente se omite el primer termino:

qo = cNc + q'Nq (4)

Aunque se ha deducido muchos factores diferentes de capacidad de carga para cimentaciones profundas, la variacin de los que han sido verificados con alguna extensin, por ensayos en pilotes de tamao natural, se representan en figuras.

Las curvas inferiores son los factores de Meyerhof para cimentaciones poco profundas, corregidas para la forma circular o cuadrada. Las curvas superiores son para la falla general de esfuerzo cortante, adaptadas de las de Meyerhof y se requiere el desarrollo completo de la zona de esfuerzo cortante, lo que solamente puede ocurrir en un slido rgido-plastico o en una arena compacta. Las curvas intermedias son adaptadas de los trabajos de Berezantzev; en arena estas curvas se ajustan a los resultados de los ensayos en modelos a escala grande y a tamao natural en pilotes hincados.

Es difcil precisar cual es el factor de capacidad de carga correcto que debe usarse en cada caso. Los factores para cimentaciones poco profundas se aplican a los pilotes resistentes por la punta o a los pilotes, cuando descansan en estratos duros, y sobre los cuales se encuentran formaciones dbiles.

Tambin se aplican a los pilotes embebidos en arcillas blandas y arenas sueltas. Los factores mas altos se aplican solamente a las arcillas mas duras y a las arenas muy compactas, en las cuales la punta del pilote queda embebida a una profundidad de 10D. Los factores para condiciones intermedias entre estos limites, se pueden hallar por interpolacin, pero con cautela. Los ensayos han demostrado, en muchos casos reales, que las curvas intermedias son aplicables.

Si los pilotes son hincados en el suelo, el ngulo de friccin que debe usarse es el que se obtiene despus de la hinca. Segn Meyerhof, en las arenas se produce un aumento de 2 a 5 grados sobre el valor obtenido antes de la hinca. Si la colocacin del pilote se hace con chifln de agua o con perforacin previa, el ngulo no cambia prcticamente.

El valor apropiado de q' al nivel de la cimentacin, depende de la longitud del pilote.

q' = rz si z < zc (5a)

q' = rzc si z > zc (5b)

La friccin lateral que acta a lo largo del fuste del pilote es igual a la suma de la fraccin mas la adherencia en la superficie del pilote o a la resistencia al esfuerzo cortante del suelo inmediatamente adyacente al pilote, cualquiera que sea menor.

Si f es la friccin lateral:

f = c' + 'h tan 'o (6a)

f = ca + 'h tan

donde ca es la adherencia y el angulo de rozamiento entre el suelo y la superficie del pilote.

Los valores de ca y de tan se pueden determinar por una prueba directa de esfuerzo cortante, substituyendo una mitad de la caja del aparato para el ensayo por el material de la superficie del pilote. Los ensayos hechos con pilotes de tamao natural indican los siguientes valores de ca son relacin a los de c en arcillas saturadas, obtenidos en pruebas de esfuerzo cortante sin drenaje:

ca = 0.9c c < 0.5 Kg/cm2 (6b)

ca = 0.9 + 0.6(0.49c -1) c > 0.5 Kg/cm2 (6c)

En estas expresiones c y ca estn en Kg. / cm2. La mas baja proporcin en el aumento de ca en suelos en los cuales c > 0.5 Kg/cm2, parece ser debido a un pequeo vaco que se forma alrededor del pilote durante la hinca y posiblemente a los esfuerzos de traccin que se producen alrededor del extremo superior del fuste del pilote durante la carga. Hay alguna evidencia de que ca aumenta lentamente con el tiempo hasta llegar a igualarse a c.

3.7-Prueba De Carga

El mtodo mas seguro para determinar la capacidad de carga de un pilote, para la mayora de los lugares, es la prueba de carga. Los ensayos de carga se hacen para determinar la carga mxima de falla de un pilote o grupo de pilotes o para determinar si un pilote o grupo de pilotes es capaz de soportar una carga sin asentamiento excesivo o continuo.

La capacidad de carga en todos los pilotes, excepto los hincados hasta la roca, no alcanza su valor mximo hasta despus de un periodo de reposo. Los resultados de los ensayos de carga no son una buena indicacin del funcionamiento de los pilotes, a menos que se hagan despus de un periodo de ajustes.

En el caso de pilotes hincados en suelo permeable este periodo es de dos o tres das, pero para pilotes rodeados total o parcialmente por limo o arcilla, puede ser de mas de un mes.

Los ensayos de carga se pueden hacer construyendo una plataforma o cajn en la cabeza del pilote o grupo de pilotes, en la cual se coloca la carga, que puede ser arena, hierro, bloques de concreto o agua.

Para hacer un ensayo mas seguro y ms fcilmente controlable, se usan, para aplicar la carga, gatos hidrulicos de gran capacidad cuidadosamente calibrados.

La reaccin del gato ser tomada por una plataforma cargada o por una viga conectada a pilotes que trabajaran a traccin. Una ventaja adicional del uso de gatos es que la carga sobre el pilote se puede variar rpidamente a bajos costos. Los asentamientos se miden con un nivel de precisin o, preferiblemente, con un micrmetro montado en un soporte independiente.

FIGURA:

Esquema de Carga

Foto de la prueba llevndose a cabo

Las cargas se aplican en incrementos que sean un quinto o un cuarto de la carga del pilote que se haya fijado para el proyecto, hasta que se produzca la falla o se alcance una carga igual a dos veces la fijada para el proyecto; la carga se reduce despus a cero, por decrementos. Cada asentamiento a intervalos regulares, hasta que su velocidad sea menor que 0.013 mm por hora. Posteriormente se dibuja la curva de asentamientos finales-carga, similar a la de la prueba de carga en placa.

Se ha propuesto muchos criterios diferentes para fijar la carga admisible o de trabajo, pero el mejor es el mismo que se emplea para cualquier otro tipo de cimentacin: la carga con un factor de seguridad adecuado (1.5 a 2 cuando se ha hecho ensayo de carga) o la carga que produce el mayor asentamiento total permisible, cualquiera que sea menor.

3.8.-Asentamiento De Un Solo Pilote

El asentamiento de un pilote aislado proviene del acortamiento elstico del fuste del pilote y, en parte, de la distorsin del suelo alrededor del pilote. Como mejor se determinan estos efectos es por el ensayo de carga.

El asentamiento se puede determinar por un anlisis esttico de la resistencia del pilote, calculando el acortamiento elstico de cada seccin del fuste del pilote, teniendo en cuenta la porcin de la carga total que queda en esa seccin.

El mayor asentamiento en todos los pilotes, excepto los que se apoyan en roca, proviene de la consolidacin del suelo subyacente por los esfuerzos que desarrolla el grupo de pilotes.

3.9.-Pilotes En Traccin

Los pilotes en traccin se pueden analizar por el mtodo esttico (sin considerar la resistencia por la punta) o por pruebas de carga en traccin. La resistencia a traccin de los pilotes con ensanchamiento en la punta se puede determinar mejor por ensayos de carga.

IV.-ANLISIS DINMICO DE LA CAPACIDAD RESISTENTE DEL PILOTE

Como la hinca de un pilote produce fallas sucesivas de capacidad de carga del pilote, seria posible, tericamente, establecer alguna relacin entre la capacidad de carga del pilote y la resistencia que ofrece a la hinca con un martillo.

Este anlisis dinmico de capacidad de carga del pilote, que a menudo da lugar a formulas de hinca, se ha usado por mas de una cantura. En algunos casos estas formulas han permitido predecir con exactitud la capacidad de carga del pilote, pero en otros no y su uso indiscriminado ha trado como consecuencia, unas veces, la seguridad excesiva y, otras, el fracaso.

La carga que recibe el pilote y la "falla" producida por la hinca con martillo, ocurren en una pequea fraccin de segundo, mientras que en la estructura la carga se aplica en un lapso que varia de horas a anos. Una relacin fija entre la capacidad de carga de un pilote obtenido dinmicamente y la obtenida a largo plazo, solo puede existir en un suelo en el que la resistencia a esfuerzo cortante sea independiente de la velocidad de aplicacin de la carga.

Esto es aproximadamente cierto en un suelo no cohesivo seco y en suelos no cohesivos hmedos de compacidad intermedia o de granos tan gruesos, que el esfuerzo cortante no produzca un esfuerzo neutro apreciable.

En las arcillas y en los suelos no cohesivos, ya sean muy sueltos o compactos, de granos finos y saturados, la resistencia depende de la velocidad con que se desarrolla el esfuerzo cortante; en estos suelos el anlisis dinmico puede no tener validez.

4.1.-Anlisis Por Onda

El proceso dinmico de la hinca del pilote es anlogo al del choque de una masa concentrada contra una varilla elstica. La varilla esta parcialmente impedida de movimientos a lo largo de su superficie por la friccin lateral y, en la punta, por la resistencia por la punta. Este sistema se puede asemejar a un modelo de pequeas masas elsticas. La masa del pilote, distribuida a lo largo del mismo, se presenta por una serie de pequeas masas concentradas, W, unidas entre s por resortes que simulan la resistencia longitudinal del pilote.

La resistencia por friccin lateral se puede representar por un modelo geolgico de superficie restringida que incluye el rozamiento, de la deformacin elstica y la amortiguacin.

Cuando el martillo golpea el sombrerete del pilote se genera una fuerza Rc, que acelera el sombrerete (Wc) y lo comprime. El sombrerete transfiere una fuerza, Ro, al segmento de la cabeza del pilote, W1 y lo acelera un instante despus de la aceleracin de Wc.

La fuerza de compresin que se ejerce en la cabeza del pilote R1 produce aceleracin en el segmento siguiente del pilote, W2, producindose una onda de compresin que se mueve hacia la punta del pilote. La fuerza vertical en cualquier instante, t, es equivalente a la compresin del resorte. La onda de fuerza, cuando se mueve hacia abajo, es parcialmente disipada en vencer la friccin y la fuerza que queda cuando la onda llega al extremo del pilote vence la resistencia por la punta. Para que el pilote penetre mas profundamente es necesario que la fuerza en la onda s mayor que las sumas acumuladas de la mxima resistencia por friccin lateral y la mxima resistencia por la punta; Si no es as, se dice que el pilote ha alcanzado el rechazo.

La forma de la onda de fuerza depende de la rigidez del pilote. En un pilote rgido (resortes fuertes) la forma de la onda es puntiaguda, con un pico mas alto que el de un pilote flexible. La fuerza que vence la resistencia por la punta R-EEB, es mayor para el pilote rgido. La fuerza pico o mxima es tambin una funcin de la energa del martillo y de su eficiencia; el de mayor energa produce la fuerza mayor. La fuerza dividida por el rea transversal del pilote es igual al esfuerzo que se produce en el pilote durante la hinca si el esfuerzo mximo producido excede la resistencia del pilote, este se daa y entonces se dice que el pilote ha sido hincado excesivamente, o que ha sido sobre-hincado.

Aunque el anlisis por onda de la hinca del pilote da una visin clara del mecanismo del proceso de hinca, su utilidad es limitada para evaluar la capacidad de carga del pilote. La disipacin de energa por friccin lateral y su equivalencia a la constante del resorte y la resistencia por la punta, son difciles de evaluar bajo las condiciones de la obra y prcticamente imposibles de pronosticar. Los clculos se hacen fcilmente con una computadora digital, pues a mano es muy tedioso. Este anlisis se usa generalmente para diagnosticar las causas de un comportamiento anormal de hinca o como gua para seleccionar el equipo o pilote ms eficiente.

4.2.-Mtodos Aproximados

Los mtodos aproximados de anlisis dinmico, las llamadas formulas de hinca, se han usado por mas de una cantura y todava se usan para predecir la mxima capacidad de carga de un pilote, basndose en simples observaciones de la resistencia a la hinca.

Todos los anlisis dinmicos estn basados en la transferencia al pilote y al suelo de la energa cintica de la maza al caer. Esta realiza un trabajo til forzando al pilote a introducirse en el suelo venciendo su resistencia dinmica. La energa se gasta en el rozamiento mecnico del martillo, en transferir la energa del martillo al pilote por el impacto y en la compresin temporal del pilote, del sombrerete (s lo hay) y del suelo. La relacin bsica ser, por tanto:

(Ro x s) + perdidas = Wr x h x (eficiencia) (8)

En esta ecuacin Ro es la resistencia del pilote a la hinca; s es la distancia que el pilote recorre dentro del terreno por un golpe de martillo (la penetracin); Wr es el peso de la maza y h la altura de cada en la masa. Esta ecuacin se resuelve para Ro que se supone es igual a la capacidad del pilote para soportar la carga, Q.

La mayor incertidumbre en este enfoque del problema y la diferencia bsica entre todas las formulas dinmicas, estriba en como calcular las perdidas de energa y la eficiencia mecnica del proceso. La formula ms completa es la de Hiley, como la describe Chellis.

La eficiencia mecnica del martillo se representa por e, que es un coeficiente que varia de 0.75, para los martillos de maza libre que se operan con un torno o para la mayora de los martillos de vapor que no son nuevos, a 0.9 para martillos de doble efecto, nuevos y es mas alto para los martillos hidrulicos. La energa disponible en el martillo despus del impacto se puede calcular aproximadamente por el mtodo del impulso y momentum.

Este mtodo considera el coeficiente de restitucin n, que varia de 0.9 para aluminio-plastico laminado, a 0.25 para un martillo que golpee sobre la cabeza de un pilote de madera o un bloque de madera de un sombrerete; adems comprende el peso del martillo Wr y el peso del pilote Wp. La energa disponible despus del impacto es igual a la energa del martillo multiplicada por:

Wr + n2Wp

Wr + Wp

Esto indica que a medida que aumenta el peso del pilote con respecto al peso de la maza, la inercia relativa aumenta y hay menos energa disponible para el trabajo til. Esto no es estrictamente valido para pilotes largos, porque el pilote se mueve como onda que como un cuerpo rgido.

La perdida de energa por la compresin elstica del pilote, el sombrerete y el suelo, se puede estimar aproximadamente, suponiendo un aumento lineal en el esfuerzo que se produce, desde cero a Ro mientras se produce la compresin. La perdida de energa ser por tanto:

RoC1 + RoC2 + RoC3 ,

2 2 2

Siendo C1, C2 y C3 respectivamente, la compresin elstica temporal del sombrerete, del pilote, y del suelo. El valor de C2 + C3 es el rebote del pilote con cada golpe del martillo (figura 5) y se puede medir fcilmente, como se describi anteriormente. El valor de C1 se puede estimar por el valor de Ro y por la forma y material del sombrerete. El balance de la energa resultante y la formula dinmica son:

Ros + Ro (c1 + C2 + C3) = Wrhe (wr + n2Wp) (9a)

2 2 2 Wr + Wp

Qo = Ro = Wrhe _ (Wr + n2Wp) (9b)

s + (1/2)(C1 + C2 + C3) Wr + Wp

Nota: La formula es dimensionalmente homognea, h y s deben estar expresados en la misma unidad.

Para los martillos de doble efecto la energa E dada para un martillo determinado, substituir en la formula a Wrh, usando para E la misma unidad de longitud que para s.

Se han publicado tablas de las constantes para usar en la formula de Hiley. Aunque los valores de e, n y Wp (para pilotes largos) deben ser estimados, lo cual requiere de gran experiencia, el mtodo es razonablemente exacto para pilotes hincados en suelos no cohesivos. Se usa generalmente un factor de seguridad de 2 a 2.5 para obtener la carga admisible.

La formula de Hiley es excesivamente conservadora para pilotes largos y para pilotes muy rgidos, porque solamente una parte del peso total del pilote es acelerado cada vez, como se demuestra por el anlisis por onda. Se acercara mas a la realidad, si la masa en movimiento, Wp, fuera el peso del sombrerete mas el peso de la parte ms alta del pilote.

La longitud adecuada depende de la rigidez del pilote y del peso por unidad de longitud: para pesados mandriles o ncleos de acero, y pilotes prefabricados de concreto, esta de 9 a 15 m.

V.-GRUPOS DE PILOTES

Como corrientemente debajo de las cimentaciones los pilotes se colocan en grupo, relativamente con poca separacin entre ellos, es necesario considerar la accin del grupo de pilotes. Esto es esencialmente importante cuando se usan pilotes de pura "friccin" y cuando los suelos subyacentes al estrato resistente, en que descansan las puntas de los pilotes resistentes por la punta, son ms compresibles.

Figura: Arreglos bsicos de grupos de pilotes

Izquierda, se tienen pilotes verticales, luego pilotes verticales e inclinados, y por ultimo pilotes verticales e inclinados de forma simtrica.

5.1.-Eficiencia Del Grupo De Pilotes

5.1.1.-Capacidad De Carga Del Grupo De Pilotes

La capacidad de carga del grupo de pilotes se calcula suponiendo que el grupo de pilotes forma una cimentacin gigantesca, cuya base esta al nivel de las puntas de los pilotes y cuyo ancho y largo son el ancho y largo del grupo de pilotes. La capacidad del grupo es la suma de la capacidad de carga de la base de la "cimentacin", mas la resistencia a esfuerzo cortante a lo largo de las caras verticales del grupo que forma la "cimentacin".

La capacidad de carga del grupo de pilotes se calcula usando la formula general de capacidad de carga (3). Se usan los factores para cimentacin profunda cuando la longitud del pilote es por lo menos diez veces el ancho del grupo y cuando el suelo homogneo; en todos los casos, se usan los factores para cimentaciones poco profundas.

El esfuerzo cortante alrededor del permetro del grupo de pilotes, es igual a la resistencia del suelo, determinada sin tener en cuenta ningn aumento de presin lateral debido al desplazamiento producido por el pilote, multiplicada por l arrea de la superficie lateral del grupo. Aunque los ensayos en modelos indican que la verdadera capacidad del grupo es siempre ligeramente menor que la calculada, la diferencia esta ampliamente comprendida dentro del factor de seguridad de 2.

La eficiencia del grupo de pilotes eg es la relacin entre la capacidad del grupo Qg, y la suma de las capacidades de numero de pilotes, n, que integran el grupo:

eg = Qg (11) nQo

Aunque se han deducido muchas formulas empricas para determinar la eficiencia del grupo de pilotes, ninguna ha demostrado ser verdaderamente valida. En vez de esto, la eficiencia se debiera evaluar por la capacidad del grupo, usando la definicin de la ecuacin (11).

La capacidad del grupo aumenta con la separacin entre pilotes, mientras que la capacidad individual del pilote, en arcilla, no aumenta. Si se traza la curva de la eficiencia terica contra el esparcimiento, s vera que la capacidad del grupo es igual a la suma de las capacidades individuales para el esparcimiento optimo y una eficiencia de 1.

El esparcimiento optimo, So, para pilotes largos en arcilla y la eficiencia del grupo para el esparcimiento optimo estn dados por las siguientes formulas:

So = 1.1 + 0.4n0.4 (12a)

e=0.5+0.4 (12b) (n - 0.9)0.1

La distancia centro a centro de los pilotes, So, tpica, es de dos a tres dimetros. Los ensayos de modelos en arcilla indican que la verdadera eficiencia con el espaciamiento optimo es algo menor que 1(0.84 a 0.9) y que aumenta lentamente a mayores espaciamientos. Como al proyectar se usa corrientemente un factor de seguridad de 2, el error que se comente al considerar que la eficiencia real es 1 con el espaciamiento optimo,

No tiene consecuencias graves.

Para los pilotes en suelos no cohesivos la capacidad del pilote individual aumenta al reducirse el espaciamiento, debido al aumento de resistencia del suelo por la compactacin. El espaciamiento optimo, es muy pequeo y tiene una eficiencia mayor que 1 pero no se pueden hincar los pilotes tan prximos unos de otros. El espaciamiento usual es de 2.5 a 4 dimetros centro a centro.

5.2.-Asentamiento Del Grupo De Pilotes

El asentamiento de un grupo de pilotes se produce por la consolidacin de los estratos de suelo situados debajo de las puntas de los pilotes. Este asentamiento exceder al de un pilote aislado que soporta la misma carga que cada uno de los del grupo, a menos que los pilotes se apoyen en roca o en un estrato grueso de suelo incompresible. El asentamiento del grupo se puede calcular suponiendo tambin que el grupo representa una cimentacin gigantesca.

Cuando los pilotes son de resistencia por la punta, la base del cimiento imaginario se supone que esta al nivel de las puntas de los pilotes, y los esfuerzos se calculan sobre esa base. Cuando los pilotes se sustentan por friccin, los esfuerzos por debajo del cimiento se calculan suponiendo que la carga del grupo entero se introduce en el suelo a una profundidad que varia entre la mitad y las dos terceras partes de la longitud de los pilotes. La carga se distribuye a este nivel en el rea total que ocupan el grupo de pilotes. El asentamiento de los estratos de suelo situados debajo de las puntas de los pilotes se calcula partiendo de estos esfuerzos. Estos clculos son aproximados en el mejor de los casos y suelen dar asentamientos mayores que los observados; sin embargo pueden indicar cuando es probable que se presenten dificultades debidas a este problema.

La distribucin exacta de los esfuerzos para una carga que tenga un ancho apreciable, aplica muy por debajo de la superficie de un slido elstico, no ha sido resuelta todava. Se pueden calcular los esfuerzos, aproximadamente, por los anlisis de Boussinesq o Wastergaard para cargas superficiales, reducindolos despus. La base para la reduccin es el anlisis de Mindlin, que demuestra que los esfuerzos debidos a la carga en un punto situado profundamente por debajo de la superficie son, aproximadamente, la mitad de los hallados por el anlisis de Boussinesq.

Figura: Comparacin de la zona de esfuerzo debajo de un pilote sencillo y un grupo de pilotes

VI.- CARGAS LATERALES

6.1.-Pilotes Verticales

Un pilote vertical cargado lateralmente se flexa como una viga en voladizo parcialmente empotrada.

Si las cargas son pequeas, la resistencia del suelo es bastante elstica. Esto se puede representar aproximadamente, suponiendo que el suelo reacciona como una serie de resortes horizontales, cuya rigidez se puede expresar como un modulo de reaccin k.

La ecuacin diferencial de la flexin de la viga se puede resolver para flechas y momentos, as como la presin del suelo, por aproximaciones sucesivas o por aproximacin de elementos finitos. Tales soluciones se encuentran en forma grfica dimensional para supuestas variaciones de k.

Las curvas desarrolladas por Reese y Matlock, dan los valores de las flechas, momentos flexionantes y presiones del suelo para un pilote de rigidez constante y para un k aumentado linealmente con la profundidad: k = k'z. La mejor manera de determinar los valores de k o k' de la formacin del suelo, es por un ensayo de carga de un pilote de tamao natural.

Las curvas se expresan en trminos de la rigidez relativa, T en cm:

T=(EI)0.2 (13a) (k')

El EI se refieren a la seccin transversal del pilote. La profundidad se expresa por el coeficiente adimensional Z.

Z = L/T (13b)

Si la carga lateral es suficientemente grande, la presin en el suelo exceder la resistencia del mismo y el pilote fallara.

Algunas veces se calcula la falla de resistencia como falla del empuje pasivo de tierra en la parte superior del pilote. Esto no es real, porque en las teoras corrientes de empuje pasivo la deformacin por cortante se supone bidimensional o plana mientras que el pilote cargado lateralmente fallara por esfuerzo cortante tridimensional a una presin que excede el empuje pasivo. Adems, la flecha que acompaa a la falla es tan grande, que una estructura soportada por un pilote cargado lateralmente estara en peligro mucho antes que el pilote fallara.

Los resultados de ensayos de carga tpicos indican que cuando los pilotes verticales estn embebidos totalmente en el suelo pueden soportar cargas laterales de solamente 1/10 a 1/5 de su capacidad de carga vertical, sin una flecha excesiva (menos de 1.25 cm). Si es necesaria una mayor rigidez o resistencia lateral, se deben emplear pilotes inclinados.

6.2.-Pilotes Inclinados En Grupos

Los pilotes inclinados combinados con pilotes verticales son la disposicin ms efectiva para resistir fuerzas horizontales. Se ha comprobado que el anclaje de muelles y mamparos que combinan pilotes verticales en traccin e inclinados en compresin, como puede verse en la figura, es una solucin ajustada y econmica.

Pilotes inclinados combinados con pilotes verticales se han utilizado para soportar muros de sostenimiento de tierras y estructura similares en las que se producen cargas horizontales.

Un anlisis racional de las cargas en los pilotes inclinados es imposible, porque el problema es estticamente indeterminado en alto grado. Un mtodo aproximado supone que los pilotes estn articulados en la punta y en la cabeza .

6.3.-Tipos De Pilotes y Su Construccin

6.3.1.-Formas De Los Pilotes

Los constructores a travs del tiempo han probado y usado con xito variable, muchas formas y tipos de pilotes. Cada forma ha tenido, probablemente, xito bajo ciertas condiciones; sin embargo, el uso de cierto tipo o forma de pilote que ha dado buen resultado en una obra, puede que no tenga xito en una situacin diferente. En los Estados Unidos de Amrica las compaas constructoras que tienen grandes y bien equipadas organizaciones para la hinca de pilotes usan, en general, unos pocos tipos y formas de pilotes.

Cuatro formas bsicas se usan comnmente: primera, seccin transversal uniforme en toda la longitud del pilote; segunda, base o punta ensanchada; tercera, forma cnica y cuarta, tablestaca.

El pilote de seccin uniforme puede presentarse en varias formas: seccin circular, cuadrada, octagonal, estriada, y H. La seccin uniforme hace que la resistencia del pilote como columna sea uniforme de la punta a la cabeza y que el rozamiento superficial este bien distribuido en todo el fuste. Se adapta bien par